深水工程勘察技术研究现状与展望

周杨锐 吴秋云 董明明 冯湘子

（中海油田服务股份有限公司 天津 300459）

深水工程勘察技术研究现状与展望

周杨锐 吴秋云 董明明 冯湘子

（中海油田服务股份有限公司 天津 300459）

对国内外深水工程勘察相关技术，如：水下声学定位、海底浅层声探测、潜器勘测、深水海底浅表层取样与原位测试、深水钻孔取样（心）与原位测试以及深水地质灾害综合分析与评价等技术的研究现状进行了综述，并对其未来发展方向做了探讨和展望。本文成果对于积极发展具有自主知识产权的深水勘察工程技术与装备，更好地服务我国深水油气勘探开发工程具有重要参考价值。

深水；工程勘察；深水工程物探技术；深水工程地质调查技术；深水地质灾害综合分析与评价技术；研究现状；发展方向

海洋工程勘察是通过测量、测试、勘探、模拟、分析等手段为海洋工程建设提供必须的、可靠的海底地形、海底岩土和海洋环境特征等成果，是各类海洋工程建设项目的规划、设计、施工以及工程环境评价（生态保护、地质灾害防治等）所需基础资料的重要来源，是海洋工程建设不可或缺的环节，被誉为海洋工程建设的“侦察兵”和工程安全的“保护神”。相对于其他海洋工程行业而言，海洋油气行业所涉及的海域广、海洋环境与工程地质条件千差万别，特别是进入海洋深水区后海洋工程勘察作业条件变得更为复杂艰难。

在国外，深水油气开发起步于20世纪80年代末，在经历了20多年的快速发展后，目前深水油气开发工程的水深已超过2 500 m。在国内，荔湾气田的发现拉开了南海深水勘探开发的序幕，加快了南海深水油气勘探开发的步伐［1］，而当时国内的海洋工程勘察装备能力除少数工程物探作业（如船载多波束水深测量、二维高分辨数字地震）和常规海底表层取样作业外，其他工程勘察项目的作业能力均局限于水深小于300 m的浅水海域。由于缺少深水作业经验和关键技术与装备，荔湾3-1气田勘探开发中涉及深水部分的工程勘察主要依赖境外公司。为了打破国外技术垄断，发展具有自主知识产权的深水工程勘察技术，服务于我国深水油气勘探开发工程，本文主要总结了国内外深水工程物探、工程地质调查及地质灾害综合分析与评价技术的发展及应用情况，并对深水工程勘察技术的未来发展方向做了探讨和展望。

1 深水工程物探技术研究现状

1.1 水下声学定位技术

高精度的水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础。海底探测系统主要有侧扫声呐系统、海底照相/摄像系统、深拖调查系统、潜航运载器（ROV、AUV等）以及海底取样器和原位测试装置等。将探测系统相对于母船或调查船的位置与水面船只的差分全球导航卫星系统（DGNSS）数据相结合，就可以将海底探测系统和探测点的准确位置归算到大地坐标系统上。

水下声学定位系统采用声脉冲群定位技术，依据激发信号的声学单元的距离划分为超短基线（＜10 cm）、短基线（20～50 m）、长基线（100～6 000 m）系统等3种类型。深水勘察中主要使用的是超短基线（USBL）系统，该系统由声基阵、声信标（水下应答器）、主控系统和外部设备等组成。其中，声基阵（置于船底或船舷）一般由一个发射换能器和2对正交的接收换能器（水听器）组成，基阵孔距几厘米至几十厘米；声信标装在水下探测系统上，里面集成有高度计（深度传感器），具有发送/接收及兼容宽频/音频多种工作模式；外部设备主要包括高精度姿态传感器（MRU）和声速剖面仪等［2］。

衡量一种超短基线声学定位系统性能的主要指标包括工作水深、作用距离、定位精度和声学最大更新速率等。我国在“九五”期间对工作水深1 000 m、作用距离2 000 m左右的超短基线系统进行了研制，“十五”期间对工作水深与作用距离更大的系统进行了研制，“十一五”开始国内自主研制的深水USBL系统结合国家深海科考项目已完成多次试验性应用，但目前均未推向市场。国外对声学定位系统研发较早的是挪威Kongsberg Simrad公司，该公司产品涵盖了超短基线、短基线和长基线等3种类型，其研究开发有近40年的历史，有一系列成熟的产品投入到军方和民用。此外，法国的OCEANO Technologies、英国的Sonardyne以及美国的ORE等公司均推出市场化程度较高的深水USBL定位系统产品，其工作水深超过6 000 m，最大作用距离超过8 000 m，测距精度为0.5%斜距。

1.2 海底浅层声探测技术

海底浅层声探测有单波束/多波束测深、侧扫声呐和浅层剖面探测等，是基于声学的高分辨发射系统。声探测利用频率和振幅这2个基本特性，一般高频用于探测中浅海水或侧扫海底形态，低频用于探测深海水深或浅层剖面结构。高频能提高分辨率，而低频则能提高声波的作用距离和穿透深度［2-3］。

各类声探测设备的换能器声呐采用频率范围为：①单波束测深仪的频率范围为10～200 k Hz，深水通常采用12 k Hz/200 k Hz双频探头。②深水多波束测深系统的工作频率及最大可测深度通常为95 k Hz（1 000 m）、30 k Hz（5 000 m）和12 k Hz（11 000 m）。③侧扫声呐系统的频率范围为50～500 k Hz，通常采用双频同步工作，高频分辨率扫测范围小，低频分辨率扫测范围大。④海底地层剖面系统通常又分为浅地层剖面仪、中地层剖面仪和较深地层剖面仪3种类型，其中浅地层剖面仪的单频工作范围在2～7 k Hz，测量深度小于50 m，地层分辨率优于0.3 m；中地层剖面仪的频率范围为0.5～5 k Hz，测量深度小于100 m，地层分辨率0.3～1.0 m；较深地层剖面仪（采用高能电容箱充-放电的电火花系统，又称单道地震系统）的频率范围约为0.06～5 k Hz，测量深度100～300 m，地层分辨率1～2 m。⑤海洋工程勘察中使用的多道数字地震系统采用小容量组合空气枪震源，其声波频率一般在5～500 Hz，主要用于调查海底以下1 000 m深度范围内对海洋工程设施安全具有潜在不良影响的灾害地质特征［3-4］。

1.2.1 声成像技术

侧扫声呐技术是一种重要的声成像技术，用于深水勘察的侧扫声呐主要采用深拖或潜器搭载的作业方式，其中深拖作业时拖体距离海底的高度受海底地形起伏影响较大，通常控制在50～100 m高度范围内；潜器搭载时其高度容易控制，通常可保持在距离海底50 m的高度范围内。近年来侧扫声呐技术的发展有3个特点，一是发展高速侧扫声呐，即发展多波束和多脉冲2种新型的侧扫声呐；二是发展三维测深侧扫声呐技术，可同时获得海底形态和海底深度；三是发展合成孔径声呐技术，其分辨率极高，横向分辨率等于声呐阵长度的一半，且不随距离的增加而变化［2，5］。

目前广泛使用的侧扫声呐技术亦称为二维声成像技术，它有2个缺点：首先是精度不高，这是由于横向分辨率取决于声呐阵的水平角宽，分辨率随距离的增加而线性增大；其次是给不出海底的高度。当前只有2种声呐可做海底三维成像，其中等深线成像是多波束测深声呐，适宜于安装在船上做大面积测量；反向散射声成像是测深侧扫声呐，适宜于安装在各类水下载体上进行细致的测量。

合成孔径声呐（SAS）是一种新型高分辨水下成像声呐，理论分辨率与目标距离和所采用的声波频段无关，这是采用合成孔径侧视声成像最大的优点之一。目前国外SAS探测技术、设备发展较为成熟，著名海洋仪器生产商（如Edge Tech、Kongsberg、ATLAS等）已纷纷推出了各自的基于深拖或AUV为潜器作业平台的SAS产品，其技术性能指标各自稍有差别，分辨率一般在2.5～10 cm，最大测绘宽度（双侧）一般在500～600 m。国内有多家科研院所从事SAS探测技术及产品的研发，主要有中国科学院声学所、中船重工715所、哈尔滨工程大学、海军工程大学、西北大学等，其中中国科学院声学所早在“九五”期间就研制出了湖试样机，并于2012年完成产品鉴定和定型，目前处于商业化推广应用状态。

1.2.2 地层剖面技术

海底地层剖面测量系统是探测海底浅层结构和海底沉积特征的重要手段，它的工作原理与多波束测深和侧扫声呐相类似，区别在于浅层剖面系统的发射频率较低，产生声波的电脉冲能量较大，发射声波具有较强的穿透力，能够有效地穿透海底数十米的地层。

自20世纪90年代以来，数字信号处理（DSP）、海量数据存储和电子自动成图等技术的进步促进了新型剖面测量系统的问世，从早期的以探测沉积物结构为主的浅地层剖面仪到新发展起来的兼有高分辨率的结构探测和准确度较高的底质识别能力的多波束参量阵地质声呐，目前已形成一个功能齐全的声学地质探测设备族。当前应用的新型海底浅层剖面系统主要有以下2种类型：

1）线性调频声呐浅地层剖面系统。线性调频声呐（CHIRP）是20世纪80年代后期发展起来的一种宽频带主动声呐，发射的声脉冲是一线性调频信号。线性调频声呐有着声脉冲重复性好、频带宽、所能载的信息量大等优点而得以迅速发展，但由于它的换能器体积较大，所以通常只安装在专用深水勘察船上（船底安装）而构成一套窄波束多阵元发射的测深-剖面系统，常用的工作频率可根据作业水深选择低频段2～8 k Hz和高频段8～23 k Hz，以适应对地层分辨率的不同要求。

2）非线性调频声呐（参量阵）浅地层剖面系统。非线性调频声呐（参量阵）技术早在19世纪就已提出，其原理就是在一个换能器上加上2个不同频率的声波，声波在水介质中传播时由于水的非线性效应而形成差频波。改变2个原频频率就可以控制这种差频波的频率，只要2个原频频率足够接近，就可以形成很低频率的声波，从而具有很强的沉积层穿透能力。由于原频的频率很高，换能器可以制作得很小，波束开角可以很窄，差频声波的指向性几乎与原频的主瓣一样，而且没有旁瓣，也不受差频频率的影响，所以参量阵声呐用于海底探测具有明显的优势，主要体现在以下几个方面：①小巧的换能器使安装使用方便；②很窄的波束使得对海底的水平分辨率很高；③较高的原频可以准确探测海底地形，而较低的差频则可以穿透沉积层；④可控的差频频率可以承载更多的信息，以便于对沉积层的分类识别［6-7］。

1.2.3 高分辨率多道地震探测技术

海底浅层高分辨率多道地震探测是海洋油气开发和海洋工程建设地质环境评价中最为重要的手段之一，主要包括地震震源系统、地震信号接收系统及导航定位辅助系统。其中，高分辨率多道地震拖缆是整个多道地震探测系统的核心，决定了整个系统的性能，而地震拖缆的道间距又是拖缆系统核心指标，道间距越小，横向分辨率越高。理论上，从偏移时间剖面上可分辨地下尺度大于一个CDP间距（半个道间距）的地下地质体［8］。长期以来，海洋高分辨率多道数字地震技术被国外发达国家所拥有和控制，仅小道距数字地震系统设备限制向我国出口。“十五”期间，中海油田服务股份有限公司依托国家“863”计划联合国内科研单位，成功开发出具有完全自主知识产权的“海亮”海洋高分辨率拖缆数字地震系统，最小道间距为3.125 m，该套系统已于2011年开始投入实际工程勘察项目应用，整体性能达到国际先进水平，并且经过设计拓展还可实施短偏移距（缆间距＜25 m）的浅层高分辨率三维数字地震资料采集。“十一五”期间，国家海洋局第一海洋研究所联合国内优势单位研发了可用于远海深水的高分辨率多道数字地震拖缆系统，适用水深300～3 000 m，地层穿透深度300 m，道间距6.25 m，垂向分辨率优于2 m［9］。

1.2.4 多波束测深技术

自20世纪80年代初由美国SEABEAM公司首先投入商业领域以来，多波束测深系统投入商业化应用的时间还不到40年，但发展很快，按其技术水平分为4代产品：第1代产品以SEABEAM 1000系列为代表，它的波束少，扫幅宽度仅60°，集成度低，数据不能实时处理；第2代产品以SEABEAM 2000系列，ATLAS HYDROSEEP和SIMRAD EM 12为代表，采用了P30大规模集成电路和DSP技术，波束数达121个，波束角宽2°，数据实时和后处理软件成熟；第3代产品以SIMRAD EM 120（全海深型）和RESON Seabat 8150深水多波束为代表，采用了超大规模集成电路和速度更快的DSP板，波束数达191个或更多，波束角宽0.5×1°，实现全姿态稳定、数据实时和后处理软件更加成熟；第4代产品以SIMRAD EM 122（全海深）和EM 710（1 500 m水深）为代表，采用了宽频技术、近场自动对焦和水体显示等技术，提高了声呐性能，波束数更多，测深点更密，集成度更高。与EM 120系统相比较，EM 122系统标称指标覆盖宽度最大37 km，单次发射形成两行共576个波束，可加密至864个测深点，波束角宽最小可达0.5×1°［10］。

按照设计工作原理，多波束测深系统可以分为声反射-散射和声相干2种类型，其中基于声反射-散射原理的占多数。基于声相干的多波束测深系统波束总数较大，并具有较大的覆盖率，但其探测频率较高（＞60 k Hz），测量水深较浅（＜600 m），因此目前在深海勘测中主要还是使用声反射-散射多波束系统。

多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统，系统的自身性能、辅助传感器性能和数据处理方法对于系统的野外数据采集和波束脚印的归位计算起着十分重要的作用。目前，多波束测深系统在高精度、高分辨率测量技术以及集成化与模块化技术等方面均已达到较高的水平。未来一段时间内，在多波束反向散射数据处理与底质识别以及多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合方面，随着新的技术手段及方法的应用，多波束测深系统的准确度及效率将会提高。此外，多波束测深系统在仪器的性能方面将趋于更可靠、更稳定，同时在确保测深密度和精度的前提下，通过提高系统的分辨率，改善系统的成像质量，进而达到取代侧扫声呐的目的。

1.3 潜器勘测技术

随着调查水深的增加，当进入深水区后，常规的基于船载设备调查和表面拖曳设备调查的作业方式已无法完全满足深水工程对探测资料精度和分辨率的技术要求，因此需要开发应用基于潜器（如深拖、ROV、AUV）为作业平台的深水工程物探与检测技术。

1.3.1 深拖调查系统

早在20世纪80年代，国外已开始将深拖系统用于深海地质研究和深水工程勘察中。国内第1套商业级深拖系统为从Simrad公司引进的Benthos深拖系统，主要用于太平洋多金属结核的调查。中国科学院声学研究所于2004年研制了DTA-4000声学深拖系统（最大工作水深4 000 m），但该产品未在市场上推广应用。中海油田服务股份有限公司于2010年从Edgetech公司引进的COSL DT-1型深拖工程物探调查系统，该系统作业航速3节，搭载Edge Tech2400型深水侧扫声呐、浅地层剖面仪、多波束和水下定位信标系统等，搭配5 000 m深水绞车，额定工作水深可达3 000 m；通过将拖体沉放到预定深度进行拖曳作业获取多波束测深数据、侧扫声呐数据、浅地层剖面数据以及其他传感器数据如声速数据、压力传感器数据等。近年来该系统在南海北部已完成荔湾3-1及周边斜坡稳定性调查、流花11-1和16-2油田开发以及中建南等多个深水井场深拖工程物探调查项目，最大作业水深达1 500 m，采集了较高质量的资料，深拖作业技术日趋成熟。

随着作业水深的增加，深拖调查后拖距离会加长，此时超短基线的定位精度会变差，可通过双船作业模式（一船拖曳深拖系统，另一船在拖体上方进行跟踪定位）解决。工程实践表明，当深拖作业水深超过700 m时，为保证必要的调查精度需要采用双船作业模式。

1.3.2 AUV调查系统

AUV是一种无缆、自带动力、活动自主的水下航行器。国外AUV技术的研究始于20世纪60年代早期，至20世纪90年代初开始走向成熟，成为能够完成指定任务的可操作系统。

目前世界上已经有数家公司生产和销售用于深水工程勘察用途的AUV系统，主要有Maridan A/S公司（丹麦）、Kongsberg Simard公司（挪威）、Bluefin机器人公司（英国）和ISE研究有限公司（加拿大）等，其中使用客户最多的是Kongsberg Simard公司推出的HUGIN系列型AUV系统，其HUGIN 3000型AUV系统的最大工作水深可达6 000 m，单次下潜连续作业时间超过36 h。

目前国内相关单位研制的AUV系统还不完全具备商业应用能力。中海油田服务股份有限公司于2015年从国外购置的COSL Explorer AUV是一台面向深海海洋工程勘察的水下自主航行器。该套AUV系统采用模块化设计与流线型鱼雷结构，通过专门配置的滑坡式LARS系统进行布放回收，最大工作深度可达3 000 m，装配有Kongsberg EM2040-07多波束测深系统、Edge Tech 2200-M侧扫声呐和浅地层剖面系统等，能够按照预定任务规划在深水海域进行测深调查、海底地形地貌调查、浅地层地质结构调查。COSL Explorer AUV系统正常工作时续航能力不少于28 h（巡航速度3节），其导航系统由高精度惯性导航系统、多普勒计程仪和超短基线声学定位系统构成。2016年7月，中海油田服务股份有限公司首次自主使用AUV搭载多波束测深系统、侧扫声呐与浅地层剖面系统及惯性制导定位系统等在我国南海水深2 500 m左右海域进行了深水工程物探调查，获取了稳定、高精度的定位数据和高分辨率的水深、海底地貌及浅地层剖面数据，标志着我国具备了自主实施深水AUV调查的能力。

2 深水工程地质调查技术研究现状

2.1 深水海底浅表层取样与原位测试技术

深水海底浅表层沉积物主要为强度相对较低的粘性土，采用钻孔式取样和原位测试对作业船和设备要求非常高，且费用高昂，因此，针对深水海底管线路由和小型水下设施基础（浅基础）工程地质调查主要采用非钻孔式大直径长管柱状取样与原位测试技术和装备。

2.1.1 长管柱状取样技术

世界各地深水海底浅表层取样中使用最多的是由美国伍兹霍尔海洋研究所开发的GPC取样器（1970—1999年）和在GPC取样器基础上改进和轻型化的JPC取样器（1999年至今）。相对于其他类型的深水取样器，JPC取样器重量较轻（约20 kN），操作简便（类似于常规的Kullenberg型重力活塞取样器），使用外径114 mm钢质取样管并配置内径102 mm的塑料或PVC衬管，最大取样深度可达30 m，作业水深可达6 000 m。JPC型取样器的主要不足是取样收获率不易控制，特别是当海底底质稍硬时取样收获率偏低（约70%），并且样品有一定程度的扰动，原因是取样管内部的活塞在回收取样器时会相对于管内的土样向上移动。目前比较先进的是一种最初由法国石油研究所在20世纪80年代中期开发的STACOR型固定活塞取样器，它与JPC型取样器的最大区别是在取样管下部增加了一个直径1.5 m的基板，取样管内部活塞的钢丝绳（2根）通过取样管外管上下两端的滑轮与海底基板相连接，这样保证了贯入时和回收过程中取样管内部的活塞始终保持与取样管顶部的样品接触不分离，从而提高了取样收获率和质量［11］。此外，由法国岩土地质咨询服务公司海洋地理系统公司开发并获得专利的STARFISH（海星）型取样器［12］和由挪威岩土工程研究院（NGI）开发并获得专利的（DWS）型取样器也比较有特色，尽管这2种取样器的结构及其海底支撑系统有一定的差别，但它们的共同特点是采用安装于海底基板上的机械贯入装置进行静压取样，取样直径较大（STARFISH的取样直径为102 mm，DWS的取样直径为110 mm），取样质量高（样品几乎不受扰动），取样收获率较高（一般大于95%），并且在取样过程中可实时进行监控贯入深度、速度、阻力、垂直度等，最大取样深度可达15 m，作业水深可达3 000 m。

“十一五”期间中海油田服务股份有限公司联合浙江大学成功研制出一套重力活塞式海底水合物取样器，其设计作业水深大于3 000 m，取样器本体长度25.5 m（取样管长度23.5 m），取样直径为80 mm（保压）和90 mm（非保压），保压蓄能器工作压力大于40 MPa，采用船侧舷“π”型支架收放，并在南海水深3 960 m试验海区成功获取到18 m长的保压沉积物样品。2014年中海油田服务股份公司从国外购置了一种深水JPC型取样器，并专门配备了一套自主设计制造的滑道式收放装置，目前使用该套深水JPC系统已在南海北部陆坡深水区成功完成了多个点位的取样任务，最大取样长度为21 m（设计最大取样管长度24 m）。该套深水JPC装置的主要特点是：①模块化结构，所有的部件都可以放在标准的20尺集装箱中，便于维护和运输；②可根据作业要求自由配置取样长度（6、12、18、24 m）；③活塞可根据水深压力智能调节，取样收获率高；④取样直径达到106 mm，取样质量好。

未来深水长管柱状取样技术的发展有2个方向，一是向轻型高效取样技术发展，如开发静水压力取样技术（以静水压力差为动能的液动锤）；二是向长管柱状取样与原位测试（CPT等）组合的方向发展，一次贯入可同时获得沉积物样品土样及其原位测试数据。

2.1.2 原位测试技术

海上工程地质原位测试方法主要有静力触探（CPT）、原位十字板剪切试验（VST）和T型触探试验（T-bar Test）。CPT自1917年由瑞典发明，后经荷兰完善后逐步推广应用，至今已有近百年的历史。从20世纪60年代开始，以荷兰和法国为首的欧洲国家开始将陆地CPT技术应用于对海底土体的测试，于1965年采用自升式平台进行海底CPT试验并获得成功。时至今日，欧美等发达国家的CPT技术已经比较成熟，并已开发出适合于不同水深的海床式和钻孔式海上CPT系列产品。

国内海底CPT技术起步较晚，1973年中国科学院海洋研究所成功研制海底CPT仪，广东省航运规划设计院（1976年）、国土资源部广州海洋地质调查局（20世纪90年代至今）、中国船舶工业勘察设计研究院（2003年）、吉林大学工程技术研究所（2005年）等先后开展了对海底CPT技术的研究工作，研制出了一批适合于港口及近岸浅水区作业工况的海底CPT系统，但由于测试能力（最大工作深度、最大土体探测深度、最大贯入力）以及设备的稳定性、灵活性和多样性等方面的问题，这些系统并没有得到大规模的推广应用。

目前国际上先进的CPT探头可以完成传统意义上数据采集仪器的大部分功能，研究重点已经向探头的高性能和数据的可靠传输等转变，主要表现在：①测试精度高，深水CPT探头还具有压力补偿能力，且稳定性好；②适用性强，目前深水CPT探头可在诸多复杂环境下开展测试工作，如水下数千米的高压腐蚀环境等；③测试参数多，在采集触探数据（锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力）的同时，可以得到土体的其他相关参数，如温度、剪切力、电导率、地震波等，能为地质调查与工程勘察提供更多的技术参考；④无缆连续触探，通过声波、射频或光信号进行触探数据的上传，避免对数据传输电缆的高性能要求以及减少加接探杆时对触探操作的影响。

目前国外深水海床式CPT系统有2种类型：一种是采用可盘绕式挠性探干的轻型海床CPT系统，代表性产品有荷兰辉固公司的SEASCOUT型和英国DATEM公司的Neptune 5000型海床CPT系统，其优点是整套水下装置体积小、质量小（＜3.5 t），易于收放，缺点是探测深度较浅（＜20 m），且不能进行VST等其他原位测试；另一种是采用摩擦轮式驱动和刚性探杆的重型海床CPT系统，最具代表性的是荷兰辉固（Fugro）公司的SEACALF型和范登堡公司的ROSON 100 k N型深水海床CPT系统，两者的设计原理及主要技术指标基本相同，除能够进行CPT和VST测试外，通过更换测试探头还可进行其他原位测试（如T-Bar测试和Ball-bar测试等）。其中，SEACALF型的设计作业水深为6 000 m，最大测试深度为海底泥面以下50 m；而ROSON 100 k N型的设计作业水深为4 000 m，最大测试深度为海底泥面以下40 m。

深水海底原位测试技术是深水工程地质勘察中最迫切需要发展的一项技术。中海油田服务股份公司于2010年引进了一套ROSON 100 k N型深水海床原位测试及DWS取样综合设备，配备1条2 500 m长的光纤电力复合脐带缆，作业水深可达2 000 m。该套装置的主要特点是兼具原位测试和柱状取样两种功能，即通过更换不同类型的探头可进行各种原位测试（如CPT、VST和T-bar测试等），通过更换驱动摩擦轮可进行高质量的DWS柱状取样（设计最大取样长度15 m），并采用自主研制的专用甲板收放装置和水下支撑装置。该套综合系统已成功应用于我国南海北部陆坡深水油气开发工程，于2013年3月在水深407 m工区采用DWS取样器成功获取到7 m长（取样管长度7.4 m）的大直径（110 mm）柱状样品，并在2015年创造了作业水深1 399 m，CPT测试深度38.3 m的国内记录。

2.2 深水钻孔取样（心）与原位测试技术

2.2.1 浮船式深水工程地质钻探技术

传统基于浮船式的工程地质钻探方法仍然是目前深水工程勘察中用于获取较深部地层沉积物样品及原位测试资料的主要技术手段。国外最早的深水油气田工程地质钻探始于20世纪80年代中期，经过30多年的工程实践，目前船载深水工程地质钻探取样与原位测试技术比较成熟和完备，能够满足3 000 m水深工程勘察的钻探需求。深水工程地质钻井系统主要装备的性能特点表现为：①采用门式双塔型井架已成为现代新型深水工程地质钻探船的重要标志，其优点是结构简单且风阻小、自身质量相对较小，有利于甲板空间的有效使用和船舶的稳性设计。②大通径（＞105 mm）顶驱装置是深水工程地质钻探的一大特点和要求，新一代液压动力头顶驱装置多采用交流变频技术，整体性能得到了极大的提高。③钻柱升沉补偿趋于由单一的被动补偿向被动和主动组合补偿模式发展，海底基盘的液压工作钳采用无线声学遥控控制并由水下高性能电池组提供动力，更好地满足了取样及测试过程要求保持钻柱相对于海底处于静止状态这一条件。④广泛采用自动化钻井辅助工具设备（如液压抓管机、气动卡瓦、轨道大钳或铁钻工等）和一体化仪表与屏显技术，并可对钻井参数进行自动记录，作业效率和安全性得到了很大的提高。

船载深水工程地质钻探取样（心）方法是在借鉴早期国际上开展大洋钻探计划（ODP）中的工艺技术及工具基础上发展起来的，如今已形成一套简便、灵活、有效的专用钻探取样（心）及原位测试工具系列，其主要技术特点为：①井下工具（连接取样管或原位测试探头）的贯入以钻井液为动力源，贯入方式可分为液压推入式（如Fugro公司开发的Dolphin系统和Wison XP系统）、液压锤击式（如Fugro CORER系统）和液动旋转式，活塞杆的行程根据地层类型及取样要求通常分为1、2、4 m等3种类型。②不同类型的井下工具可共用一套专用的底部钻具总成（BHA），井下工具从顶驱上部的圆孔中投放并自由下落至BHA位置，取样或原位测试结束后通过钢丝绳绞车下放打捞器将工具回收至甲板，CPT和VST等原位测试采用存储式探头。

我国发展深水工程地质钻探技术及配套装备起步较晚，但进步较快。中国海洋石油总公司于2007年投资建造国内首艘深水综合勘察船“海洋石油708”，并依托国家重大专项课题联合宝鸡石油机械有限公司和北京探矿工程研究所等国内相关单位成功研制出具有完全自主知识产权的深水工程地质钻探系统装备及配套的专用随钻取样（心）系列工具。“海洋石油708”船于2011年底投入使用，该船采用DP2动力定位系统，可在3 000 m水深、蒲福7级风、有效波高3 m和海流2.0节的海况下对海底泥面以下600 m范围内进行钻孔作业。所配套的专用随钻取样（心）工具有3种类型：①针对松散及半固结的软土层的TK-1型压入活塞式取样器；②针对软、硬相互交替地层的TK-2型超前伸缩式取样器；③针对海底破碎地层的TK-3型射流式揽簧取样器［13］。这3种类型的随钻取样（心）工具均采用了钻井液驱动工作原理，技术性能已接近国外同类型工具产品的水平，其中“海洋石油708”船于2014年8月在南海北部陆坡区的一次作业中创造了作业水深1 723 m、钻孔连续取样至海底泥面以下102 m深度的国内自主超深水工程地质钻探取样记录。

2.2.2 深水海底工程钻探技术

近10年来深水海底工程钻机的研制及在深水岩土工程勘察中的应用已取得重大突破［14-15］。目前，国外深水海底钻机产品型号主要有：德国Marum Bremen的BeBo型、日本Metals Mining Agency的BMS型、澳大利亚Benthic Geotech的PROD、荷兰Fugro-Gregg Drilling＆Testing的Gregg SeafloorDrill以及加拿大Cellula Robotics的CRD100等。这些装备的共同特点是采用双管及绳索取样（心）技术，但各家海底钻机的作业能力稍有差别。其中，BMS型的作业水深可达6 000 m，取样深度为30 m；MeBo和CRD100的作业水深为3 000 m，取样深度分别为75 m和65 m；PROD的作业深度为2 000 m，取样及CPT测试深度为125 m；而Gregg SeafloorDrill的能力最强，其作业水深为3 000 m，取样及CPT测试深度为125 m。国内目前从事海底钻机研制的单位主要有湖南科技大学、中国地质大学（武汉）和湖南长沙矿山研究院等，其中，湖南科技大学研制的“海牛”号为海底60 m多用途钻机，其设计作业水深为3 000 m，钻孔取样深度为海底泥面以下60 m，采用双管及绳索取样（心）技术。“海牛”号于2015年5月在水深3 100 m的海试区取得成功，顺利钻进至海底以下60 m并获取到沉积物样品，目前已进入工程化示范应用阶段。

与传统的基于浮船式钻探模式相比，基于海底模式的深水海底工程钻探具有以下优势：①模块化设计，且可选用的船舶资源多（无需专门的深水勘察船）；②自动化程度高，取样和原位测试质量高；③经济高效，在3 000 m水深时其作业效率约为传统深水勘察船的10倍。

3 深水地质灾害综合分析与评价技术研究现状

世界各国对于近海陆架灾害地质的研究始于海洋油气资源的勘探、开发及其工程建设活动。叶银灿等［16］较详细地论述了海洋灾害地质学产生的历史背景及国内外已取得的主要研究成果，其中包括国内外对海洋地质灾害的分类方法、典型地质灾害的成灾机理及其对工程的危害影响分析等。我国的深水油气资源集中在南海水深300～3 000 m海域。2014年4月正式投产的荔湾3-1气田是我国第1个深水油气田，在工程选址和管道路由与平台场址调查中国内工程勘察单位与辉固公司合作，对处于水深600～1 500 m陆坡的土体稳定性重点进行了调查研究。

当前深水地质灾害调查及评价技术进展主要体现在以下2个方面：

1）交互式三维可视化和勘探工具的开发与应用［17］。该工具的设计是专门用来方便勘探和现场勘测中收集的大型、复合、多成分空间数据集的解释和分析。如果大地参考并且处理得当，复杂的数据集可以按固有分辨率水平，以允许多成分综合的、自然的、直觉的方式显现，而不影响数据的定量性。人工阳光照射、描影和三维透视图同数字地形模型（DTM）一起使用，形成天然外观及方便解释的量化地形，可以在DTM上涂颜色来表示深度或其他参数（如反向散射或沉积特性），或者形成基于水深地形或海底地层数据的高分辨率结构映射图像。海底以下数据可包含在三维场景中，允许以简单直觉（但定量）的方式认识地下构造和属性同海底测试地形之间的关系。

2）建立并形成了为海洋油气工业界所普遍接受的海洋地质灾害调查评估框架规程及综合分析评价标准工具箱［18］，以规范海洋地质灾害调查评估项目中的资料采集与处理的内容及解释方法，以及数据和成果交付的格式要求。通过应用这些工具以及在使用中对这些工具中所包含的知识的更深入的掌握，有利于地质灾害学家们能够充分有效地挖掘资料的重要价值。

4 深水工程勘察技术研究展望

目前，新一代深水勘察船广泛采用了全电力推进系统并具备动力定位能力，船舶性能与功能得到了很大提升，且大多具备多用途、多角色综合深水工程勘察的作业能力。高精度深水多波束技术及以AUV调查为代表的工程物探技术的广泛应用，极大地改善了深水工程物探资料的采集品质（数据密度、精度和分辨率）和作业效率，同时也为深水海底地形地貌及海底浅层地质体内沉积结构特征的精细刻画与三维可视化呈现提供了必要的素材。非钻孔式深水海床原位测试技术与长管活塞式柱状取样技术，以及基于浮船式的、以钻井液压力为动力源的深水无隔水管钻孔取样与原位测试技术是当前发展较成熟的深水工程地质取样与原位测试技术。

深水地质灾害是深水油气勘探开发面临的一项艰巨挑战。为攻克这一难题，目前世界各国已对充分应用、融合油气勘探和工程勘察中的创新技术有了进一步的认识。工程勘察是地质灾害调查评估的重要组成部分，预计在未来数年中，国际上基于潜器为作业平台的工程物探与检测技术（深拖、ROV、AUV调查与检测技术）将得到成熟应用；无人潜器的发展趋势主要表现为体积小、兼容性高及模块化，开发新能源并提高续航能力，进一步提高导航定位能力［19］。在深水工程物探技术方面，为实现运用声学探测资料对海底沉积物地层的分类识别（包括高精度声学成像）、地层结构的精细刻画及岩土工程特性参数的解释，以多波束相干声呐、合成孔径声呐以及相控参量阵声呐技术为原理的海底浅表层声学探测系统设备将得到越来越广泛的应用［12，15-16］。此外，采用高分辨二维系统进行三维数字地震采集，用AUV进行微3D采集以及进行海底地震（OBS/OBN）采集（目前局限于浅水）等勘探地球物理技术能直接提取和解释岩土工程特性（目前的难点是数据类型通常是单道数据，使得一些常用于勘探地球物理解释分析的先进技术难以应用于地质灾害领域）［20］，而且通过对系统的不断改进和提高作业功能及可靠性，基于海底模式的工程钻探不久将成为进行超深水（水深＞1 500 m）工程地质钻探取样及原位测试的主要技术手段和方法，同时最初用于油气勘探的电缆测井与随钻测井LWD技术在基于深水工程地质钻探船钻井模式的深水浅层灾害地质及水合物钻探调查中也将得到重视和更多的应用［20］。目前，中海油田服务股份有限公司已成功研制出具有完全自主知识产权的小井眼电缆测井和LWD系统，为促进该项技术在我国南海深水区地质灾害调查与水合物资源调查中的推广应用创造了条件。

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Current status and development outlook of deep water geotechnical investigation and survey technology

ZHOU Yangrui WU Qiuyun DONG Mingming FENG Xiangzi
（China Oilfield Services Co.Ltd.，Tianjin300459，China）

This paper presents an overview of the current research on deep water geotechnical investigation and survey technology，both domestic and overseas，including subsea acoustic positioning，shallow seabed acoustic detection，submersible survey，shallow seabed sediment sampling＆in-situ testing，deep water borehole sampling＆in-situ testing，and integrated deep water geohazard assessment techniques，etc.Trends of the technical development in the future are also discussed and prospected in this paper.The results of this paper are of great referential significance for the development of deep water geophysical and geotechnical survey technology and equipment with independent intellectual property rights and for better serving the deep water oil and gas exploration and development engineering in China.

deep water；geotechnical investigation＆surveying；geophysical survey；engineering geological investigation；integrated geohazard analysis＆assessment；current research；development outlook

周杨锐，吴秋云，董明明，等.深水工程勘察技术研究现状与展望［J］.中国海上油气，2017，29（6）：158-166.

ZHOU Yangrui，WU Qiuyun，DONG Mingming，et al.Current status and development outlook of deep water geotechnical investigation and survey technology［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（6）：158-166.

TE132.1

A

1673-1506（2017）06-0158-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.06.021

周杨锐，男，高级工程师，1984年毕业于广东石油学校石油地质专业，现从事海洋岩土工程勘察技术与研究工作。地址：天津市滨海新区塘沽海洋高新区海川路1581号（邮编：300459）。E-mail：zhouyr2＠cosl.com.cn。

2017-01-05改回日期：2017-07-01

（编辑：叶秋敏）